(57)【要約】【課題】熱サイクルに対する信頼性を高めることが可能な技術を提供することを目的とする。【解決手段】半導体装置は、半導体チップである半導体スイッチ２と、基板１と、はんだ７ａと、熱硬化性樹脂の一種であるポリイミド樹脂からなるポリイミドコート２１とを備える。半導体スイッチ２の線膨張係数と基板１の線膨張係数とは異なっており、はんだ７ａは、半導体スイッチ２と基板１とを接合する。ポリイミドコート２１は、はんだ７ａの表面のうち半導体スイッチ２及び基板１から露出する表面上に形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
線膨張係数が異なる第１被接合部及び第２被接合部と、
前記第１被接合部と前記第２被接合部とを接合する接合部材と、
前記接合部材の前記第１及び第２被接合部から露出する表面上に形成された、熱硬化性樹脂からなる樹脂コーティングと
を備える、半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記樹脂コーティングは、
前記第１被接合部の前記接合部材周辺の表面上、及び、第２被接合部の前記接合部材周辺の表面上にも形成されており、
前記樹脂コーティングには、前記第１被接合部及び前記第２被接合部に設けられた凹部または凸部と嵌合された凸部または凹部が設けられている、半導体装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の半導体装置であって、
前記樹脂コーティングは、断面視において裾引き形状を有する、半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記第１被接合部は半導体チップを含み、
前記第２被接合部は基板を含む、半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記第１被接合部は電極端子を含み、
前記第２被接合部は基板を含む、半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記第１被接合部はベース板を含み、
前記第２被接合部は基板を含む、半導体装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記第１被接合部は制御基板を含み、
前記第２被接合部は制御端子を含む、半導体装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記第１被接合部は半導体モジュールの銅箔を含み、
前記第２被接合部は前記半導体モジュールのヒートシンクを含む、半導体装置。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体装置であって、
前記接合部材は絶縁体で構成されている、半導体装置。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記第１被接合部は半導体モジュールを含み、
前記第２被接合部は放熱フィンを含む、半導体装置。
【請求項１１】
請求項４乃至請求項８及び請求項１０にそれぞれ記載の半導体装置における前記第１及び第２被接合部の２以上と、前記接合部材、前記樹脂コーティングを組み合せて備える、半導体装置。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の半導体装置であって
前記熱硬化性樹脂は、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂及びポリウレタン樹脂のいずれかを含む、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関するものであり、特に熱サイクルに対する半導体装置の信頼性に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、モータを制御する電力変換装置などに半導体装置が適用されている。このような半導体装置では、実使用時に待機時と駆動時とが繰り返されることにより、熱が断続的に発生する熱サイクルが生じることがある。
【０００３】
そして、この熱サイクルは、半導体装置、特に二つの部材を接合するはんだなどの接合部材に熱応力を発生させることから、半導体装置には熱サイクルに対する高い信頼性（Ｈ／Ｃ性）が求められている。例えば、特許文献１に開示の技術では、半導体チップと、それと線膨張係数が近い金属部材とを接合部材を用いて接合することにより、Ｈ／Ｃ性を高めることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−０９５２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、昨今、環境負荷物質を含まない製品の開発が進められており、はんだにおいても、Ｐｂ（鉛）を含まないはんだを用いるＰｂフリー化が進んでいる。しかしながら、従来の半導体装置の構成にＰｂフリーはんだを使用すると、Ｐｂフリーはんだ自身の機械的強度が低いことから、熱サイクルに対する信頼性（Ｈ／Ｃ性）が低下する。そのため、高信頼用途、及び、高ジャンクション温度（Ｔｊ）用途に、Ｐｂフリーはんだを使用するのが困難であるという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、熱サイクルに対する半導体装置の信頼性を高めることが可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る半導体装置は、線膨張係数が異なる第１被接合部及び第２被接合部と、前記第１被接合部と前記第２被接合部とを接合する接合部材と、前記接合部材の前記第１及び第２被接合部から露出する表面上に形成された、熱硬化性樹脂からなる樹脂コーティングとを備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、樹脂コーティングは、接合部材の第１及び第２被接合部材から露出する表面上に形成されている。したがって、接合部材の接合強度を高めることができることから、熱サイクルに対する半導体装置の信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す平面図である。
【図３】実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図４】実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図５】実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す平面図である。
【図６】実施の形態３に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図７】実施の形態３に係る半導体装置の構成を示す平面図である。
【図８】実施の形態４に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図９】実施の形態４に係る半導体装置の構成を示す平面図である。
【図１０】実施の形態５に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図１１】実施の形態５に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図１２】実施の形態６に係る半導体装置の構成を示す断面拡大図である。
【図１３】実施の形態６に係る半導体装置の構成を示す断面拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＜実施の形態１＞
図１及び図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す断面図及び平面図である。図１及び図２に示すように、この半導体装置は、基板１と、半導体スイッチ２と、フリーホイールダイオード（以下略して「ＦｗＤｉ」）３と、電極端子４ａ，４ｂと、制御端子５ａ，５ｂ，５ｃと、放熱板６と、はんだ７ａ，７ｂ，７ｃと、Ａｌなどの金属からなるワイヤ８と、ポリイミド樹脂（熱硬化性樹脂）からなる樹脂コーティングであるポリイミドコート２１とを備える。また、半導体装置は、それら構成要素を囲う筐体４１と、それら構成要素を筐体４１に封止するゲル４２とを備えている。
【００１１】
基板１は、絶縁基板１ａと、絶縁基板１ａの表裏面にそれぞれ設けられた金属膜１ｂ，１ｃとを備えて構成されている。なお、絶縁基板１ａの材質には例えばＳｉＮ４、Ａｌ３Ｏ２またはＡｌＮが用いられ、金属膜１ｂ，１ｃの材質には例えばＡｌ，Ｃｕが用いられる。
【００１２】
金属膜１ｂは、絶縁基板１ａ表面上に二つ設けられている。一方の金属膜１ｂ上には、半導体スイッチ２及びＦｗＤｉ３が、はんだ７ａを介して設けられ、電極端子４ｂが、はんだ７ｂを介して設けられている。他方の金属膜１ｂ上には、電極端子４ａが、はんだ７ｂを介して設けられている。
【００１３】
金属膜１ｃは、絶縁基板１ｂ裏面上に一つ設けられており、当該金属膜１ｃ上には、放熱板６が、はんだ７ｃを介して設けられている。
【００１４】
制御端子５ａ，５ｂ，５ｃと半導体スイッチ２とは、ワイヤ８を介して電気的に接続されており、半導体スイッチ２とＦｗＤｉ３とは、ワイヤ８を介して電気的に接続されている。また、ＦｗＤｉ３と、電極端子４ａが設けられた金属膜１ｂとは、ワイヤ８を介して電気的に接続されている。
【００１５】
さて、本実施の形態では、半導体チップである半導体スイッチ２（第１被接合部）の線膨張係数と、基板１（第２被接合部）の線膨張係数とが異なっており、接合部材であるはんだ７ａは、半導体スイッチ２と、基板１とを接合している。
【００１６】
このような半導体装置において通常動作が行われ、半導体スイッチ２に熱が繰り返し発生する（つまり熱サイクルが発生する）と、半導体スイッチ２及び基板１の線膨張係数の差に起因して、はんだ７ａを歪ませ、クラックを発生させようとする熱応力が、はんだ７ａに繰り返し印加される。
【００１７】
ここで、本実施の形態に係る半導体装置によれば、ポリイミドコート２１は、はんだ７ａの半導体スイッチ２及び基板１から露出する表面上に形成されている。ここではその一例として、ポリイミドコート２１は、はんだ７ａの表面上だけでなく、半導体スイッチ２のはんだ７ａ周辺の表面上、及び、基板１のはんだ７ａ周辺の表面上にも形成されている。したがって、はんだ７ａ自身の化学結合力（接着力）による機械的強度に、ポリイミドコート２１の機械的強度及び応力分散効果が加わることから、はんだ７ａの接合強度を高めることができる。つまり、はんだ７ａにおける歪み、ひいてはクラックの発生または進展を抑制することができることから、熱サイクルに対する半導体装置の信頼性を高めることができる。
【００１８】
また、ポリイミドコート２１が半導体装置に占める体積は小さいことから、半導体装置の大幅な設計変更をせずに上述の効果を得ることが期待できる。また、ポリイミドコート２１により、絶縁耐量が向上することから、ゲル４２の少量化や、半導体装置のコンパクト化の実現も期待できる。
【００１９】
なお、以上では、半導体チップとして半導体スイッチ２を例に説明したが、半導体チップの一種であるＦｗＤｉ３においても同様の効果が得られる。また、基板１と半導体チップとの接合に限ったものではなく、線膨張係数が異なる他の異種物質間の接合に有効である。
【００２０】
例えば、後述の実施の形態で説明する構成のほか、半導体チップとワイヤ８との接合に適用することができる。また、図３に示されるように、トランスファーモールドパワーモジュール（Ｔ−ＰＭ）などの半導体モジュール５１と、放熱フィン５２とを、高放熱剤５３（または接着剤）により接合する構成において、上述と同様に高放熱剤５３（または接着剤）の表面上にポリイミドコート２１を設けてもよい。このような構成においても、上述と同様に、高放熱剤５３（または接着剤）の接合強度を高めることができる。
【００２１】
また、半導体スイッチ２やＦｗＤｉ３などの素子に、高温化においても適切な特性を示すＳｉＣ（炭化珪素）などのワイドバンドギャップ半導体が適用されている構成において、本実施の形態に係る半導体装置は特に有効である。
【００２２】
また、以上においては、ポリイミドコート２１を用いた構成、つまり、樹脂コーティングの熱硬化性樹脂がポリイミド樹脂を含む構成について説明した。しかし、樹脂コーティングの熱硬化性樹脂は、ポリイミド樹脂を含むものに限ったものではなく、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂及びポリウレタン樹脂のいずれかを含むものであっても、上述と同様の効果を得ることができる。
【００２３】
＜実施の形態２＞
図４及び図５は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す断面図及び平面図である。なお、本実施の形態に係る半導体装置において、実施の形態１で説明した構成要素と同一または類似するものについては同じ符号を付し、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。
【００２４】
本実施の形態では、電極端子４ａ，４ｂ（第１被接合部）の線膨張係数と、基板１（第２被接合部）の線膨張係数とが異なっており、接合部材であるはんだ７ｂは、電極端子４ａ，４ｂと、基板１とを接合している。
【００２５】
このように構成された半導体装置において通常動作が行われ、半導体スイッチ２に熱が繰り返し発生すると、当該熱が、金属膜１ｂなどを介して電極端子４ａ，４ｂ及び基板１に伝導される。そして、電極端子４ａ，４ｂ及び基板１の線膨張係数の差に起因して、はんだ７ｂを歪ませ、クラックを発生させようとする熱応力が、はんだ７ｂに繰り返し印加される。
【００２６】
ここで、本実施の形態に係る半導体装置によれば、ポリイミドコート２１は、はんだ７ｂの電極端子４ａ（電極端子４ｂ）及び基板１から露出する表面上に形成されている。ここではその一例として、ポリイミドコート２１は、はんだ７ｂの表面上だけでなく、電極端子４ａ（電極端子４ｂ）のはんだ７ｂ周辺の表面上、及び、基板１のはんだ７ｂ周辺の表面上にも形成されている。したがって、はんだ７ｂ自身の化学結合力（接着力）による機械的強度に、ポリイミドコート２１の機械的強度及び応力分散効果が加わることから、はんだ７ｂの接合強度を高めることができる。つまり、はんだ７ｂにおける歪み、ひいてはクラックの発生または進展を抑制することができることから、熱サイクルに対する半導体装置の信頼性を高めることができる。
【００２７】
＜実施の形態３＞
図６及び図７は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置の構成を示す断面図及び平面図である。なお、本実施の形態に係る半導体装置において、実施の形態１で説明した構成要素と同一または類似するものについては同じ符号を付し、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。
【００２８】
本実施の形態では、ベース板である放熱板６（第１被接合部）の線膨張係数と、基板１（第２被接合部）の線膨張係数とが異なっており、接合部材であるはんだ７ｃは、放熱板６と、基板１とを接合している。
【００２９】
このように構成された半導体装置において通常動作が行われ、半導体スイッチ２に熱が繰り返し発生すると、当該熱が、金属膜１ｂなどを介して放熱板６及び基板１に伝導される。そして、放熱板６及び基板１の線膨張係数の差に起因して、はんだ７ｃを歪ませ、クラックを発生させようとする熱応力が、はんだ７ｃに繰り返し印加される。
【００３０】
ここで、本実施の形態に係る半導体装置によれば、ポリイミドコート２１は、はんだ７ｃの放熱板６及び基板１から露出する表面上に形成されている。ここではその一例として、ポリイミドコート２１は、はんだ７ｃの表面上だけでなく、放熱板６のはんだ７ｃ周辺の表面上、及び、基板１のはんだ７ｃ周辺の表面上にも形成されている。したがって、はんだ７ｃ自身の化学結合力（接着力）による機械的強度に、ポリイミドコート２１の機械的強度及び応力分散効果が加わることから、はんだ７ｃの接合強度を高めることができる。つまり、はんだ７ｃにおける歪み、ひいてはクラックの発生または進展を抑制することができることから、熱サイクルに対する半導体装置の信頼性を高めることができる。
【００３１】
＜実施の形態４＞
図８及び図９は、本発明の実施の形態４に係る半導体装置の構成を示す断面図及び平面図である。なお、本実施の形態に係る半導体装置において、実施の形態１で説明した構成要素と同一または類似するものについては同じ符号を付し、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。
【００３２】
本実施の形態に係る半導体装置は、実施の形態１に係る半導体装置に、はんだ７ｄと、制御基板９とが追加されて構成されている。なお、制御基板９には貫通孔が設けられており、中継端子である制御端子５ａ，５ｂ，５ｃの先端部が当該貫通孔に挿入されている。
【００３３】
そして、制御基板９（第１被接合部）の線膨張係数と、制御端子５ａ，５ｂ，５ｃ（第２被接合部）の線膨張係数とが異なっており、接合部材であるはんだ７ｄは、制御基板９と、制御端子５ａ，５ｂ，５ｃの先端部とを接合している。
【００３４】
このように構成された半導体装置において通常動作が行われ、半導体スイッチ２に熱が繰り返し発生すると、当該熱が、ワイヤ８などを介して制御基板９及び制御端子５ａ，５ｂ，５ｃに伝導される。そして、制御基板９及び制御端子５ａ，５ｂ，５ｃの線膨張係数の差に起因して、はんだ７ｄを歪ませ、クラックを発生させようとする熱応力が、はんだ７ｄに繰り返し印加される。
【００３５】
ここで、本実施の形態に係る半導体装置によれば、ポリイミドコート２１は、はんだ７ｄの制御基板９及び制御端子５ａ（制御端子５ｂ，５ｃ）から露出する表面上に形成されている。ここではその一例として、ポリイミドコート２１は、はんだ７ｄの表面上だけでなく、制御基板９のはんだ７ｄ周辺の表面上、及び、制御端子５ａ（制御端子５ｂ，５ｃ）のはんだ７ｄ周辺の表面上にも形成されている。したがって、はんだ７ｄ自身の化学結合力（接着力）による機械的強度に、ポリイミドコート２１の機械的強度及び応力分散効果が加わることから、はんだ７ｄの接合強度を高めることができる。つまり、はんだ７ｄにおける歪み、ひいてはクラックの発生または進展を抑制することができることから、熱サイクルに対する半導体装置の信頼性を高めることができる。
【００３６】
＜実施の形態５＞
図１０は、本発明の実施の形態５に係る半導体装置の構成を示す断面図である。この半導体装置は、トランスファーモールドパワーモジュール（Ｔ−ＰＭ）などの半導体モジュール６０である。なお、この半導体モジュール６０において、実施の形態１で説明した構成要素と同一または類似するものについては同じ符号を付すものとする。
【００３７】
図１０に示すように、この半導体モジュール６０は、ポリイミドコート２１と、ヒートシンク６１と、はんだ６２ａ，６２ｂと、半導体スイッチ６３と、電極端子６４と、制御端子６５と、Ａｌなどの金属からなるワイヤ６６と、エポキシ樹脂などの絶縁体で構成された接合部材である絶縁接合部材６７と、銅箔６８と、これらを覆うパッケージ６９とを備えている。
【００３８】
半導体スイッチ６３は、はんだ６２ａを介してヒートシンク６１上に設けられており、ヒートシンク６１は、半導体スイッチ６３において発生する熱を拡散する。電極端子６４は、はんだ６４ｂを介して半導体スイッチ６３上に設けられ、制御端子６５は、ワイヤ６６を介して半導体スイッチ６３と電気的に接続されている。銅箔６８は、ヒートシンク６１に関して半導体スイッチ６３と逆側に配置されており、絶縁接合部材６７を介してヒートシンク６１上に設けられている。
【００３９】
さて、本実施の形態では、半導体モジュール６０の銅箔６８（第１被接合部）の線膨張係数と、半導体モジュール６０のヒートシンク６１（第２被接合部）の線膨張係数とが異なっており、絶縁接合部材６７は、銅箔６８と、ヒートシンク６１とを接合している。
【００４０】
このように構成された半導体装置において通常動作が行われ、半導体スイッチ６３に熱が繰り返し発生すると、当該熱が、はんだ６２ａなどを介して銅箔６８及びヒートシンク６１に伝導される。そして、銅箔６８及びヒートシンク６１の線膨張係数の差に起因して、絶縁接合部材６７を歪ませ、クラックを発生させようとする熱応力が、絶縁接合部材６７に繰り返し印加される。
【００４１】
ここで、本実施の形態に係る半導体装置によれば、ポリイミドコート２１は、絶縁接合部材６７の銅箔６８及びヒートシンク６１から露出する表面上に形成されている。ここではその一例として、ポリイミドコート２１は、絶縁接合部材６７の表面上だけでなく、銅箔６８の絶縁接合部材６７周辺の表面上、及び、ヒートシンク６１の絶縁接合部材６７周辺の表面上にも形成されている。したがって、絶縁接合部材６７自身の化学結合力（接着力）による機械的強度に、ポリイミドコート２１の機械的強度及び応力分散効果が加わることから、絶縁接合部材６７の接合強度を高めることができる。よって、絶縁接合部材６７における歪み、ひいてはクラックの発生または進展を抑制することができ、熱サイクルに対する半導体装置の信頼性を高めることができる。
【００４２】
なお、以上では、接合部材はエポキシ樹脂などの絶縁体で構成された絶縁接合部材６７であるとして説明したが、これに限ったものではなく、はんだ等の導体であってもよい。また、図１１に示すように、本実施の形態に係る半導体装置は、絶縁接合部材６７、ヒートシンク６１及び銅箔６８を、導電膜７１ａが両面に形成された絶縁基板７１に置き換え、絶縁基板７１の導電膜７１ａから露出する表面上にポリイミドコート２１を形成してもよい。このような構成においても、上述と同様の効果を得ることができる。なお、導電膜７１ａの材質にはＡｌまたはＣｕが好ましく、絶縁基板７１の材質にはＳｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３またはＡｌＮが好ましい。
【００４３】
＜実施の形態６＞
図１２は、本発明の実施の形態６に係る半導体装置の構成を示す断面図であり、図１３は、それとは別の構成を示す断面図である。なお、本実施の形態に係る半導体装置において、実施の形態１で説明した構成要素と同一または類似するものについては同じ符号を付し、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。
【００４４】
図１２及び図１３に示すように、本実施の形態では、半導体スイッチ２及び基板１には、凹部２ｉ，１ｉがそれぞれ設けられており、ポリイミドコート２１には、凹部２ｉ，１ｉと嵌合された凸部２１ｉが設けられている。なお、凹部２ｉ，１ｉ及び凸部２１ｉのそれぞれの断面形状は、図１２においては三角形状、図１３においては先細りの階段形状となっている。このように構成された本実施の形態に係る半導体装置によれば、ポリイミドコート２１によるはんだ７ａの接合強度の補強をより高めることができる。その結果、熱サイクルに対する半導体装置の信頼性を高めることができる。
【００４５】
また、図１２及び図１３に示すように、本実施の形態では、ポリイミドコート２１は、断面視において富士山などの成層火山にみられるような裾引き形状を有している。このように構成された本実施の形態に係る半導体装置によれば、熱応力に起因するはんだ７ａからポリイミドコート２１への力を分散することができ、ポリイミドコート２１の強度を高めることができる。その結果、熱サイクルに対する半導体装置の信頼性を高めることができる。
【００４６】
なお、以上においては、半導体スイッチ２及び基板１に凹部が設けられ、ポリイミドコート２１に凸部が設けられたものとして説明した。しかしこれに限ったものではなく、半導体スイッチ２及び基板１に凸部が設けられ、ポリイミドコート２１に当該凸部に勘合された凹部が設けられたものであってもよい。
【００４７】
また、以上においては、本実施の形態で説明した構成を実施の形態１に適用した場合について説明したが、これに限ったものではなく、本実施の形態で説明した構成を実施の形態２〜５に適用してもよい。
【００４８】
また、実施の形態１〜５で説明した半導体装置における第１及び第２被接合部の２以上と、接合部材、樹脂コーティングを組み合せて備えるように、半導体装置を構成してもよい。つまり、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１  基板、１ｉ，２ｉ  凹部、２  半導体スイッチ、３  ＦｗＤｉ、４ａ，４ｂ  電極端子、５ａ，５ｂ，５ｃ  制御端子、６  放熱板、７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ  はんだ、９  制御基板、２１  ポリイミドコート、２１ｉ  凸部、５１  半導体モジュール、５２  放熱フィン、５３  高放熱剤、６１  ヒートシンク、６７  絶縁接合部材、６８  銅箔。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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